趙 芳, 張久陽, 劉思遠, 王增艷,*, 王黎歡, 顧浩婷, 李萬隆

1 河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院, 開封 475004

2 黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室, 開封 475004

秦嶺-大巴山(秦巴山地)地處我國中部,承接青藏高原與東部平原,連接長江流域與黃河流域,是我國的南北過渡帶。作為連接中國東西部的唯一一條大尺度生態(tài)廊道,秦巴山地影響我國生態(tài)地理格局、生物區(qū)系演化、自然資源分布[1]。受地理位置、山系分布等綜合作用,秦巴山地形成了復雜多樣且具有過渡性質的植被體系和氣候類型[2-4],導致植被對氣候變化響應的復雜性。

植被凈第一性生產力(Net Primary Productivity, NPP),是在單位面積單位時間上綠色植被固定的總能量與自身呼吸消耗掉的有機物之差,反映了自然環(huán)境條件下植被群落的生產能力[5-6]。研究發(fā)現,秦巴山地地表NPP分布及氣候響應隨經度、緯度等的變化在不同地段呈現一定的規(guī)律性[7-8],可表征秦巴山地復雜的生態(tài)地理格局。秦嶺山地氣候和植被區(qū)系由南向北發(fā)生了明顯的變化,氣候由亞熱帶向暖溫帶過渡,地帶性植被從常綠闊葉林逐漸轉變?yōu)槁淙~闊葉林[9-13],而地表植被NPP呈現減少的趨勢,其中南段大巴山區(qū)雨水豐沛、氣候適宜,為NPP高值區(qū)[14]。秦巴山地植被NPP數值呈現出西高東低的分布,年際變化以上升趨勢為主,且大部分地區(qū)在波動中表現出較為顯著的增長趨勢[15-17]。伏牛山NPP東部數值較小,中西部數值較大,隨時間推移數值增大[18]。秦巴山地NPP及氣候響應隨緯度、經度、高度、坡向等多種分異因素的變化呈現的規(guī)律性也叫做多維地帶性,體現了秦巴山地復雜的地域分異,是造成我國南北分界線位置存在爭議,比如秦嶺主脊[10, 19]、秦嶺南坡[9, 13]和秦嶺北坡[11, 20-21]的因素之一。

但是現有關于秦巴山地NPP及其氣候響應的研究多集中在單一山體、單一流域,如蔣沖等對陜南漢江流域及大巴山植被NPP變化的分析[14]、李敏等對神農架林區(qū)生態(tài)系統NPP的估算[22]及陳志超等對伏牛山兩側NPP的分析[18]等,冠名秦巴山地的文獻幾乎都局限于陜西境內的秦巴山地[23-24],極少將其作為整體進行分析,導致對秦巴山地植被NPP的變化認識不夠全面。實際上秦巴山地是一個完整的、由南向北過渡的地域單元,其南部是亞熱帶,北部是暖溫帶,植被具有天然的南北過渡性質,研究秦巴山地NPP時空分異及其對氣候變化響應的多維地帶性,對探索秦巴山地復雜的生態(tài)地理格局、評價中國陸地生態(tài)系統的復雜性和多樣性具有重要的意義[25-26],也可為解決亞熱帶與暖溫帶分界線具體位置在哪里的問題提供新的研究思路。

近年來,隨著現代對地觀測、GIS和遙感技術的發(fā)展,秦巴山地的生物地理研究由過去的樣點和樣區(qū)的調查逐漸發(fā)展到使用遙感技術對整個區(qū)域生物生產力和生物量的調查?；诖?本文使用2000—2015年秦巴山地地表植被NPP遙感數據和氣象站點數據,從經度、緯度、高度和坡向等角度分析秦巴山地地表植被NPP及其對氣候變化的響應的多維地帶性,深入討論我國南北過渡地帶的復雜生態(tài)地理格局,為暖溫帶-亞熱帶界線的界定提供新的佐證。

1 數據和方法

1.1 數據及處理

1.1.1DEM數據

本研究采用的數字高程模型(DEM)數據(來源于https://earthexplorer.usgs.gov/)空間分辨率為30m,分塊下載獲取秦巴山地不同區(qū)域數據,將原始DEM拼接為一幅完整的秦巴山地高程數據,如圖1所示。

圖1 秦巴山地DEM和氣象站點的分布

1.1.2NPP數據

研究采用的2000—2015年植被NPP數據源于美國NASA EOS/MODIS的MOD17A3產品(http://www.nasa.gov/)。該數據基于的BIOME-BGC生態(tài)模型,將衛(wèi)星獲得的土地覆蓋、部分光合有效輻射(FPAR)和葉面積指數(LAI)數據作為輸入的地表植被信息,模擬獲得的全球年NPP數據。該數據與同期MODIS NDVI數據的對比分析顯示,二者整體變化趨勢一致,且相關性較強,證明該NPP數據和NDVI數據一樣具有反映區(qū)域內植被覆蓋狀況和生長情況的能力。其時間分辨率為年,空間分辨率為1km×1km[27]。該數據已在不同區(qū)域NPP估算、植被長勢、環(huán)境評價等研究中得到驗證和廣泛應用[28-30]。在MRT軟件的支持下,將MOD17A3數據進行格式轉換(HDF轉化為TIFF)、重投影、裁剪、比例換算等,得到單位為gC/m2的年均NPP數據。不過需要說明的是該NPP模擬數據只包括植物地上生產力部分而未包含地下生產力部分,未來仍需要進一步修訂。

1.1.3氣象站點數據

氣象數據來自國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/)的秦巴山地1951—2017年118個氣象站點每日氣溫和降水數據,經過月均計算得到月均溫、月均降水數據,舍去數據缺測的部分站點,實際使用93個氣象站點數據,氣象站點主要分布在甘肅、陜西、河南、四川、湖北、重慶6個省市(如圖1)。

1.2 方法

1.2.1相關分析

相關性分析方法可以直觀反映要素間的相關關系。將NPP與氣溫和降水進行相關分析,根據每個像元的NPP值與氣象因子的相關系數Rxy確定NPP與氣溫和降水之間的關系：

(1)

1.2.2趨勢分析

通過一定時間段內(2000—2015年)NPP像元的數值變化,建立基于像元的一元線性回歸方程,NPP年際變化速率可以通過該方程的趨勢線斜率K來確定,其中：

(2)

K為趨勢線斜率,即NPP的年際變化速率,單位為gC m-2a-1；yi表示第i年的NPP值；i=1, 2, 3, …,16；n=16為監(jiān)測年數。當K>0時,表示秦巴山地NPP呈增加趨勢,反之則呈減少趨勢。

1.2.3地形因子分析

為了展示秦巴山地NPP與經緯度和地形的關系,本研究選取33.95°N(經過迭山、太白山、蟒嶺、伏牛山)、32.67°N(經過雪寶頂、米倉山、十堰市等地區(qū)),107.81°E(經過米倉山、漢江、太白山)和110.53°E(經過神農架、武當山、漢江等地區(qū))4條剖面線(如圖1)對應像元點的DEM數據和NPP數據,制作出秦巴山地NPP典型剖面線分布圖,反映NPP隨地形和經緯度的變化。

1.2.4空間統計分析

對氣象站點數據進行Kriging空間插值,獲得與植被NPP柵格大小一致(1km×1km)、投影方式(D_WGS_1984)相同的氣象柵格數據,與秦巴山地NPP進行相關分析研究秦巴山地2000—2015年NPP變化與氣溫、降水的關系。

為了分析NPP與海拔關系,將秦巴山地DEM數據基于不同海拔進行重分類,分為0—500、500—1000、1000—1500、1500—2000、2000—2500、2500—3000、3000—3500、>3500m共8個級別,統計各分段NPP均值,研究NPP沿海拔梯度的變化。

為了分析秦巴山地NPP及氣候響應的地域分異,基于秦嶺、大巴山主山脊線和主要河流(嘉陵江、漢江)的位置,將秦巴山地劃分為秦嶺南坡、秦嶺北坡、大巴山南坡、大巴山北坡、西秦嶺,分區(qū)統計秦巴山地NPP及與氣溫和降水的相關在秦嶺南坡、秦嶺北坡,大巴山南坡和大巴山北坡的變化(由于西秦嶺復雜的地理結構,本文不做討論),為南北分界線的確定提供佐證。

2 結果與分析

2.1 秦巴山地地表植被NPP時空格局

根據2000—2015年多年年均NPP分布圖(圖2),秦巴山地NPP值存在明顯的區(qū)域差異,總體表現為南高北低,中部高,東西低的特征。其中在岷山以東104°E—105°E之間達到最高值(約700—900 gC/m2),在秦巴山地中部105°E—107°E之間NPP值出現高值集聚區(qū),而在秦嶺山脈以東的華山、崤山、伏牛山、熊耳山等地區(qū)NPP值僅為100—300gC/m2,以及西部的羊拱山、岷山、迭山等地區(qū)NPP值也較低(約200—400gC/m2)。時間尺度上,秦巴山地NPP值隨時間變化如表1所示,2000—2015年以輕微變動、基本不變及中度增長為主,占比達92.5%。NPP值中度減少和嚴重減少的區(qū)域主要分布在東部的豫西山地、神農架、武當山地區(qū),而NPP值增加區(qū)域主要在秦嶺山脈的中段地區(qū)。

圖2 秦巴山地多年年均NPP的分布圖

表1 秦巴山地NPP年變化率分級統計

2.2 秦巴山地地表NPP及其對氣候響應的緯向分異

為了更加突出表現NPP及其對氣候響應的緯向分異,本文選取兩條穿越秦嶺大巴山主要山脊線的典型經線107.81°E(西線)和110.53°E(東線),分析秦巴山地NPP的緯向變化,結果如圖3所示,NPP總的趨勢為：從北向南,隨著緯度的降低而逐漸增加。具體來說,西線從34.13°N降低到31.46°N,NPP值由442gC/m2增加到647gC/m2；東線從34.51°N降低到31.03°N,NPP值由220gC/m2增加到576gC/m2。

圖3 秦巴山地107.81°E、110.53°E剖面線NPP變化圖

沿東西兩條經線分別提取NPP與氣溫、降水的相關系數,其緯向變化如圖4、圖5所示,西線(107.81°E)從北向南,隨著緯度的降低,NPP與降水的相關性逐漸減弱,NPP與氣溫的關系由負相關逐漸轉變?yōu)檎嚓P,分界點位于漢江地區(qū),這與漢江兩側山地垂直帶結構、類型和分布模式的變化有關[31]。東線(110.53°E)NPP與氣溫和降水分別呈現弱負相關和正相關,但是在神農架南坡NPP與降水的關系突變?yōu)樨撓嚓P,氣溫突變?yōu)檎嚓P關系。

圖4 秦巴山地107.81°E降水、氣溫與年均NPP的相關系數變化圖

圖5 秦巴山地110.53°E降水、氣溫與NPP相關系數變化圖

2.3 秦巴山地NPP及對其氣候響應的經向分異

為了突出秦巴山地NPP與氣候響應的經向分異,本文對秦巴山地沿33.96°N和32.67°N兩條緯線的年均NPP與經度的關系進行了研究,由圖6可以看出,隨著經度的升高,NPP值先增加后減少,在白水江處(105°E)達到峰值,最低值則出現在極高山區(qū)、秦嶺和大巴山東部。根據兩條剖面線上NPP與氣溫、降水的相關系數分布圖,在大巴山一線(圖7),除大巴山的西部以及東部的十堰市部分地區(qū),NPP與降水呈正相關,與氣溫相關性較弱,其中85.0%地區(qū)的相關系數都在0.2以下。秦嶺一線(圖8)除伏牛山以東和西秦嶺的部分地區(qū)以外,NPP與降水在大部分地區(qū)(78.26%)呈正相關,相關性先增加后減少,在蟒嶺附近達到峰值(0.49)。而NPP與氣溫的相關系數隨著經度升高由正相關逐漸變?yōu)樨撓嚓P,轉折點位于兩當縣。

圖6 秦巴山地年均NPP沿32.67°N和33.96°N剖面線的變化

圖7 秦巴山地NPP與降水和氣溫的相關系數沿32.67°N的變化

圖8 秦巴山地NPP與降水和氣溫的相關系數沿33.96°N 的變化

2.4 秦巴山地NPP及其對氣候響應的高程分異

對NPP值按不同海拔進行重分類,發(fā)現各海拔分區(qū)的年均NPP值隨高程的增加,呈現先增加后降低的趨勢,NPP均值從453.96gC/m2增加到海拔3000—3500m處達到最大值,為539.87gC/m2,而后開始逐漸降低,至海拔3500—5528m處達到最小值,為435.32gC/m2。將秦巴山地各海拔NPP年均變化率(K)值進行統計分析,發(fā)現NPP值在各海拔均呈升高趨勢,并且隨著海拔升高K值先升高后降低,在海拔0—1500m內K值為1.87gC m-2a-1—3.01gC m-2a-1,在1500—2000m達到最大值(5.07gC m-2a-1),2500m以上K值降低至1.50—2.62gC m-2a-1。

表2 秦巴山地NPP均值和變化率隨海拔變化統計

2.5 秦巴山地NPP及其對氣候響應的坡向分異

對秦嶺南北坡和大巴山南北坡年均NPP值隨高度分布的統計結果表明,在不同坡向NPP值隨高程的變化存在明顯的差異,如圖9所示。隨高度的增加,大巴山年均NPP值呈現先增加后降低的趨勢。比如,大巴山南坡年均NPP值先由500m以下的530.72gC/m2增加到500—1000m的568.70gC/m2,再降低至2000m以上的450—460gC m-2a-1；大巴山北坡先由470.20gC/m2增加至503.47gC/m2再降低至426.33gC/m2；秦嶺則呈現更復雜趨勢。秦嶺NPP先由0—500m的373.96—421.71gC/m2降低至1000—1500m的307.84—384.33gC/m2,再增加到437.44—478.01gC/m2,再降低至274.27—422.72gC/m2。

在海拔2000m以下,從大巴山南坡到秦嶺北坡,NPP呈現遞減趨勢,由494.59—568.70gC/m2降低至373.96—307.84gC/m2；2000m以上,秦嶺與大巴山之間的NPP值差異明顯減少,比如2000—2500m,大巴山南北坡分別為454.75、429.32gC/m2,秦嶺南坡和北坡分別為444.91、379.09gC/m2,各坡向之間NPP值較為相近。

為了突出秦巴山地NPP值的坡向分異,將各坡向NPP變化率均值進行統計,結果如圖9所示,2000—2015年秦巴山地各坡向NPP值均呈增加趨勢但存在明顯的差異,大巴山南北坡增長率分別為2.63、1.72gC m-2a-1,秦嶺南北坡增長率分別為3.45gC m-2a-1、2.03gC m-2a-1,秦嶺增長較大巴山更為明顯。

圖9 大巴山和秦嶺的NPP變化率分坡向統計

在海拔2000m以下,大巴山北坡增長率明顯高于南坡,其中北坡為1.29—3.34gC m-2a-1,南坡為0.12—2.29gC m-2a-1；秦嶺南坡增長率明顯高于北坡,其中南坡為2.58—6.59gC m-2a-1,北坡為1.34—6.32gC m-2a-1。在海拔2000—3000m,大巴山南北坡差異明顯,南坡為1.59—1.85gC m-2a-1,北坡為2.66—3.34gC m-2a-1；但秦嶺南北坡的差異較小,南坡為6.02—6.59gC m-2a-1,北坡為6.32—6.45gC m-2a-1。

對NPP與氣候因子的相關系數按海拔進行分坡向統計得到圖10,結果表明,1000m以下,大巴山地表NPP和氣溫呈現正相關；在1000—2500m范圍內,秦嶺地表NPP值與氣溫呈現負相關,大巴山地區(qū)NPP值和氣溫相關性較弱。秦嶺和大巴山地表NPP與降水均呈正相關的關系,且秦嶺地區(qū)NPP值與降水的相關性整體強于大巴山地區(qū)。

圖10 秦巴山地年均NPP與氣溫和降水相關系數按海拔分坡向統計圖

3 討論

3.1 秦巴山地地表NPP及對氣候變化響應的多維地帶性

秦巴山地地表NPP時空分布及對氣候變化的響應在緯向、經向、海拔和坡向等方面具有多維地帶性。2000m以下,由南向北,從大巴山南坡到秦嶺北坡地表NPP呈現逐漸遞減規(guī)律,存在明顯的緯度地帶性。這主要是由于由南向北秦巴山地基帶由大巴山南坡的常綠闊葉林,逐漸過渡到大巴山北坡的常綠—落葉闊葉混交林、秦嶺北坡的落葉闊葉林[32-33],生物量與葉面積指數的關系在一定范圍內成比例正相關,常綠林NPP值一般大于落葉林NPP值[34]。自西向東隨經度的增加,NPP值先增加后減少,在白水江自然保護區(qū)達到頂峰,呈現經度地帶性規(guī)律。這與白水江自然保護區(qū)的位置有關,這一區(qū)域位于青藏高原高寒區(qū)、中國東部季風濕潤區(qū)和西北干旱區(qū)三大地理分區(qū)的過渡帶,既具有亞熱帶特征帶—亞熱帶常綠闊葉林,又具有青藏高原東緣成分如岷江冷杉為主的暗針葉林及高山灌叢草甸[31,35],加上自然歷史的變遷,該地區(qū)物種極為豐富,使得秦巴山地白水江自然保護區(qū)是山地垂直帶分帶最多的地區(qū)。

隨海拔增加,秦巴山地整體NPP值和變化率整體呈先增大后減少的規(guī)律,呈現垂直地帶性。這與植被垂直分異有關。秦巴山地1000m以下的地區(qū)大多被開墾為農耕植被帶,植被NPP較少,1000—3500m為山地森林帶,植被NPP增多,到3500m以上以高山灌叢、矮曲林和草甸為主[31],植被稀少,植被NPP減少。2000—2015年,秦巴山地各坡向NPP均呈增加趨勢,但是秦嶺增長較大巴山更為明顯。2000m以下,秦嶺南坡增長率明顯高于北坡,但是大巴山北坡增長率明顯高于南坡,2000—3000m,秦嶺南北坡差異較小,但是大巴山南北坡差異明顯,這與趙芳等[31]提出的大巴山比秦嶺對秦巴山地植被的地帶性分異的影響更強的結論一致。

3.2 暖溫帶-亞熱帶界線問題

以漢江為界,秦嶺和大巴山無論是NPP均值分布、南北坡對比,還是對氣候因子的響應都呈現明顯的差異。中山地區(qū)(1000—2500m),秦嶺NPP與氣溫呈負相關,而大巴山則呈現正相關或弱相關；秦嶺地區(qū)NPP與降水的相關性整體強于大巴山地區(qū)。這與先前蔣沖[14]、李敏[22]、陳志超[18]等作者在陜南、神農架、伏牛山等地的研究結果對應。漢江作為中山地區(qū)NPP與氣溫相關性由正相關性到負相關的轉折點,降水由弱相關到正相關的轉折點,是秦巴山地極為重要的界線,即暖溫帶-亞熱帶界線。這就意味著一方面全球變暖將對中山地區(qū)秦嶺植被產生不利影響,而對大巴山有利,另一方面降水的增多則更有助于秦嶺植被的生長。這也暗示了降水是秦嶺植被的限制性因子,降水對秦嶺的影響強于溫度,這與方精云等[36]提出的秦嶺是因為降水的不足而形成的假定的南北分界線的結果一致。這也使得漢江成為氣溫影響的重要界限,漢江以南氣溫變暖有利于植被生長,漢江以北則相反,而降水的增多則對漢江以北植被生長起到較大的促進作用。

之前的研究者多使用氣候和植被來界定這一界線問題,而本文則為其提供了一種新的方法、新的佐證。由于地帶性是大尺度問題,先前的研究常使用大尺度指標,比如水平地帶的植被和氣候的分異來界定,而本文將地表植被NPP值引入秦巴山地氣候響應研究,從多維角度分析NPP的時空格局與氣候變化的關系,揭示秦巴山地地理和生態(tài)的過渡性和復雜性,為暖溫帶-亞熱帶分界線的確定提供了一種新的方法和新的論據。未來還需要結合南北過渡地帶不同尺度植被、氣候和土壤等分異進行系統的研究。

4 結論

本研究基于GIS與遙感技術,利用MODIS遙感影像及氣象站點數據,對秦巴山地2000—2015年NPP時空變化進行動態(tài)監(jiān)測,利用氣溫、降水數據對秦巴山區(qū)NPP的時空特征進行分析,以此研究秦巴山區(qū)NPP對氣候變化的多維響應,主要研究結論如下：

(1)秦巴山地地表NPP存在明顯區(qū)域差異,整體表現為南高北低,中部高東西低。2000—2015年秦巴山地NPP在秦嶺山脈中段的大部分地區(qū)增加明顯,而在豫西山地、神農架、武當山地區(qū)NPP存在一定程度的減少。

(2)自南向北隨著緯度的增加,秦巴山地地表NPP值呈遞減趨勢,其中2000m以下的中低山地區(qū)表現更為顯著,呈現緯度地帶性。地表NPP與溫度的關系由負相關變?yōu)檎嚓P,轉折點出現在漢江。自西向東隨經度的增加,NPP值先增加后減少,秦嶺一線地表植被NPP與溫度由正相關變?yōu)樨撓嚓P,與降水主要呈正相關,相關性先增加后減少。

(3)隨海拔增加,秦巴山地NPP值和變化率均呈先增大后減少的趨勢,但秦嶺和大巴山不同坡向地表NPP時空分布及對氣候變化的響應呈現明顯的差異。2000—2015年,秦巴山地各坡向NPP均呈增加趨勢,但是秦嶺增長較大巴山更為明顯。2000m以下,秦嶺南坡增長率明顯高于北坡,大巴山北坡增長率明顯高于南坡；2000—3000m,秦嶺南北坡差異較小,但是大巴山差異明顯。中山地區(qū)(1000—2500m),秦嶺NPP與氣溫呈負相關,而大巴山則呈現正相關或弱相關；秦嶺地區(qū)NPP與降水的相關性整體強于大巴山地區(qū)。